1. Kernepositionering & industriel værdi
De 400 serie Rustfrit stål er den praktiske bro mellem lavpris kulstofstål og austenitisk rustfrit stål med høj nikkel.
Defineret af AISI/ASTM og regionale standarder (ASTM A240, I 10088, GB/T. 1220), det tegner sig for en stor del af den globale tonnage af rustfrit stål, fordi det kombinerer:
- Lavere legeringsomkostninger (lidt eller ingen Ni) → attraktiv økonomi;
- Magnetisk adfærd (ferritisk/martensitisk) kræves af mange elektromekaniske applikationer;
- Varmebehandlebar styrkeevne (martensitiske og nedbørshærdende undertyper) muliggør meget høj styrke;
- Gunstig varmeledningsevne og lavere termisk udvidelse sammenlignet med austenitik, nyttig til varmeudsatte komponenter.
De industrier, der har størst fordel, omfatter bilindustrien (udstødninger, brændstofsystemer), apparater (paneler, liners), maskineri (aksler, ventiler), værktøj (Lejer, klinger) og nogle rumfarts/nukleare nicher, hvor en balance mellem omkostningerne, styrke og moderat korrosionsbestandighed er acceptabel.
2. Klassifikation, Sammensætning & Mikrostrukturel mekanisme
Ydelsesforskellene på 400 serien af rustfrit stål er i det væsentlige bestemt af deres kemiske sammensætning og tilsvarende mikrostrukturer.
Nedenfor er en dybdegående analyse af tre kerneundertyper:
Ferritisk 400 Serie (Kernekarakterer: 409, 430, 439, 444)
Ferritisk rustfrit stål er den mest udbredte undertype, med en enkeltfaset ferritmikrostruktur ved stuetemperatur, ingen faseomdannelse under opvarmning/afkøling, og ultralavt C-indhold (typisk ≤0,12 vægt-%).
Deres kernesammensætning er domineret af Cr (10.5–19,5 vægt%), med hjælpeelementer som Ti, Nb, og Mo for at optimere stabilitet og korrosionsbestandighed.
- 409: Cr (10.5–11,75 vægt%), C (≤0,08 vægt%), Af (0.15–0,50 vægt%).
Ti danner TiC-udfældninger for at fiksere C, undgå intergranulær korrosion forårsaget af Cr-carbidudfældning.
Den grovkornede ferritstruktur giver grundlæggende atmosfærisk korrosionsbestandighed, hvilket gør den velegnet til lave omkostninger korrosionsbestandige scenarier. - 430: Cr (16.0–18,0 vægt%), C (≤0,12 vægt%). Finkornet ferritstruktur med afbalanceret pris og korrosionsbestandighed, er den almindelige omkostningseffektive ferritiske kvalitet til husholdningsapparater.
- 439: Cr (17.0–19,0 vægt%), C (≤0,03 vægt%), Hvis/Nb (0.10–0,60 vægt%).
Ultralav C- og Ti/Nb-kompositstabilisering forfiner korn, markant forbedring af svejsbarheden og korrosionsbestandigheden i forhold til 430. - 444: Cr (17.5–19,5 vægt%), Mo (1.75–2,50 vægt%), C (≤0,025 vægt%).
Mo-tilsætning forbedrer pitting-korrosionsbestandigheden (PREN≈25), danner en tæt ferritstruktur velegnet til chloridholdige miljøer.
Martensitisk 400 Serie (Kernekarakterer: 410, 420, 440A/B/C)
Martensitisk rustfrit stål har højere C-indhold (0.15–0,75 vægt%) og moderat Cr-indhold (11.5–18,0 vægt%).
Ved høje temperaturer, de danner austenit, som omdannes til hård martensit under bratkøling - hvilket gør dem til den eneste varmebehandlelige forstærkende undertype i 400 serie rustfrit stål.
- 410: C (≤0,15 vægt%), Cr (11.5–13,5 vægt%).
Den støbte struktur er ferrit + Martensite; efter bratkøling/tempering, trækstyrken når 515–690 MPa, velegnet til generelle konstruktionsdele. - 420: C (0.15–0,40 vægt%), Cr (12.0–14,0 vægt%).
Højere C-indhold forbedrer hårdheden (HRC≥50 efter varmebehandling), udbredt i bestik og ventiler. - 440A/B/C: C indholdsgradient (0.60–0,75 vægt%), Cr (16.0–18,0 vægt%).
440C har den højeste hårdhed (HRC≥58) og slidstyrke, ideel til højpræcisionsværktøjer og lejer.
Nedbør-hærdning (Ph) 400 Serie (Grad: 17-4 Ph, Aisi 630)
En speciel højtydende variant med lavt C (≤0,07 vægt%), Cr (15.5–17,5 vægt%), I (3.0–5,0 vægt%), og Cu (3.0–5,0 vægt.).
Det danner austenit ved høje temperaturer, omdannes til martensit under afkøling, og opnår styrkelse via Cu-rig bundfaldsdannelse under aldring.
Trækstyrke kan nå 1380 MPa efter varmebehandling, balancerer ultrahøj styrke og korrosionsbestandighed.
3. Kerne omfattende egenskaber
Mekaniske egenskaber
Mekaniske egenskaber ved 400 serien af rustfrit stål varierer betydeligt efter undertype, med tydelig differentiering i styrke, Duktilitet, og varmebehandlingsrespons (data overholder ASTM A240/A480):
- Ferritiske typer (430, opløsningsglødet): Trækstyrke 415–515 MPa, flydespænding 205–275 MPa, forlængelse 20-25 %, hårdhed ≤183 HBW.
Ingen fasetransformation, kun udglødning til kornforædling. - Martensitiske typer (420, slukket & hærdet): Trækstyrke 725–930 MPa, flydespænding 515–690 MPa, forlængelse 10-15 %, hårdhed ≥50 HRC.
Slukning + temperering forbedrer styrke og hårdhed væsentligt. - PH type (17-4 Ph, H900 ældning): Trækstyrke ≥1170 MPa, flydespænding ≥1035 MPa, forlængelse ≥10 %, hårdhed ≥38 HRC.
Udfældningsforstærkning opnår ultrahøj styrke uden at ofre duktiliteten.
Korrosionsmodstand
Korrosionsbestandigheden bestemmes primært af Cr-indholdet, med Mo og lav C som hjælpeforstærkere. Samlet, det er lavere end 300 serie, men overlegen i forhold til kulstofstål:
- Ferritiske typer: 409 har grundlæggende atmosfærisk korrosionsbestandighed (årlig korrosionsrate ≤0,03 mm i landdistrikter); 444 modstår fortyndede syrer og chlorider, med en kritisk pittemperatur på ≥30℃.
- Martensitiske typer: Begrænset af højt C-indhold; 410 er modtagelig for rust i fugtige omgivelser, mens 440C har bedre korrosionsbestandighed på grund af højere Cr, men er uegnet til marine/syreholdige medier.
- 17-4 Ph: Korrosionsbestandighed sammenlignelig med 304 i atmosfæriske og mildt ætsende miljøer, men tilbøjelig til grubetæring i medier med højt chloridindhold.
Fysiske egenskaber
Iboende magnetisme er et signaturtræk ved 400 serie rustfrit stål, med andre fysiske egenskaber konsistente på tværs af undertyper:
- Densitet: 7.7–7,8 g/cm³ (lavere end 304'er 8.0 g/cm³ på grund af ingen Ni-tilsætning).
- Termisk ledningsevne: 25–30 W/(m·K) @ 20℃ (højere end 304'er 16 m/(m·K), gunstig for varmeafledning).
- Termisk udvidelseskoefficient: 10–12×10⁻⁶/K (20–400℃), lavere end 300 serie, reducere termisk deformation.
- Magnetisk permeabilitet: μ=100-1000 (ferritisk/martensitisk), langt højere end austenitisk rustfrit stål (m<1.02).
4. Forarbejdning, Fremstilling & varmebehandlingspraksis
Dannelse & bearbejdning
- Ferritics: rimelig formbarhed kold; mellemudglødning anbefales til kraftig formning. Bearbejdelighed svarende til lavlegeret stål.
- Martensitics: dårlig koldformbarhed i hærdet tilstand; form i udglødet tilstand eller derover (varm formning). Bearbejdelighed afhænger af temperament og hårdhed - højere C-kvaliteter kræver robust værktøj og langsommere hastigheder.
Svejsning
- Ferritics: svejsbar, men udsat for kornvækst og HAZ-skørhed, hvis der anvendes høj varmetilførsel; stabiliserede karakterer (Hvis/Nb) og lav varmetilførsel (<10 kJ/cm for nogle) forbedre ydeevnen; vælg ferritiske fyldmetaller.
- Martensitics: udfordrende — forvarm (200–300 ° C.), forbrugsstoffer med lavt hydrogenindhold og anløbning efter svejsning anbefales for at undgå revner og genoprette sejheden.
- Ph 17-4: svejsbar med matchet spartelmasse og varmebehandling/ældning efter svejsning for at genoprette egenskaber.
Varmebehandling
- Ferritics: opløsningsudglødning og luftafkøling for at lindre stress og forfine korn; ingen quench hærdning.
- Martensitics: austenitisere (950–1.050 °C), Quench (olie/vand afhængig af kvalitet), derefter temperament (150–650 ° C.) for at nå ønsket hårdhed/sejhed. 440C typisk hærdet ved 200-300 °C for maksimal hårdhed.
- Ph 17-4: opløsning behandle (~1.040–1.060 °C), slukning af vand, derefter alder (482–621 °C) at producere Cu-rige bundfald og opnå målstyrke (H900 osv.).
5. Typiske industrielle anvendelser af 400-serien rustfrit stål
400-serien betjener en bred vifte af industrier, fordi dens undertyper er kortlagt efter forskellige tekniske behov:
økonomi + Moderat korrosionsbestandighed (ferritics), høj hårdhed/slid (martensitics), og meget høj styrke med rimelig korrosionsbestandighed (PH legeringer).
Bilindustrien
Fælles dele & karakterer
- Udstødningssystemer, lyddæmper komponenter, reaktionsrør — 409, undertiden 439 for forbedret svejsbarhed.
- Trim, dekorative paneler - 430.
- Motor og transmissionsaksler, ventilsæder / små sliddele — 410 / 420 hvor varmebehandling er påkrævet.
Hvorfor 4xx bruges
- Lavt nikkelindhold giver en stærk omkostningsfordel for meget store komponenter.
Ferritiske kvaliteter modstår cyklisk oxidation i varme udstødningsmiljøer og har passende termisk ledningsevne og ekspansion. Martensitiske kvaliteter tilbyder hærdede overflader til slidkritiske smådele.
Nøgleovervejelser
- Til svejsede udstødningssystemer, brug Ti/Nb-stabiliserede ferritics (409Ti/439) eller kontroller varmetilførslen for at undgå HAZ-skørhed.
- Korrosionsbeskyttelse (overfladebelægninger, aluminisering) anvendes ofte til at forlænge levetiden i vejsaltmiljøer.
Husholdningsapparater og forbrugerprodukter
Fælles dele & karakterer
- Køleskabsdøre, ovnforinger, opvaskemaskine interiør, kontrolpaneler - 430 og nogle gange 439/444 for bedre korrosionsbestandighed.
- Bestik og køkkenknive — 420 / 440C (Martensitisk), poleret og hærdet.
Hvorfor 4xx bruges
- Attraktiv overfladefinish, god formbarhed (ferritics), magnetisk respons, hvor det er nødvendigt (F.eks., induktion madlavning indikatorer), og meget lavere omkostninger end austenitiske materialer gør ferritic 4xx til standarden for dekorative og interne apparatdele.
Nøgleovervejelser
- Undgå 4xx i saltspray- eller kysteksponering, medmindre den er belagt eller specifikt en Mo-bærende variant (444).
Til bestik, vælg high-C martensitics og kontroller temperering for at balancere kantfastholdelse og korrosionsbestandighed.
Varmeudveksling, HVAC og termiske systemer
Fælles dele & karakterer
- Varmeveksler finner, kanalføring, ovnkomponenter, kedelbeklædning — 409, 430, 444.
Hvorfor 4xx bruges
- Ferritics kombinerer god varmeledningsevne, lav termisk ekspansion og oxidationsmodstand ved forhøjede temperaturer med lavere omkostninger end 300-serien, hvilket gør dem velegnede til varmeoverførsel af hardware og udstødningsvarmestyring.
Nøgleovervejelser
- Til vådt, kloridholdige vandløb eller høj risiko for grubetæring, foretrækker Mo-bærende ferritics (444) eller gå op til duplex/300-serien, hvor det er nødvendigt.
Kemisk, proces- og vandhåndteringsindustrien
Fælles dele & karakterer
- Mellemdriftstanke, rørfittings, varmevekslere til ikke-ekstrem kemi — 444 (hvor kloridresistens betyder noget), 439 til svejste tanke.
Hvorfor 4xx bruges
- Når servicen er moderat aggressiv, men fuld austenitiske eller duplex-legeringer ikke er økonomisk berettigede, Mo-stabiliseret ferritics tilbyder en acceptabel mellemvej.
Nøgleovervejelser
- Angiv møllecertifikater og korrosionstest. Til kontinuerlig eksponering for klorid (behandle saltlage, havvandskøling) validere klassevalg mod målt klorid, temperatur og sprækkeforhold.
Olie & gas, petrokemisk (udvalgte komponenter)
Fælles dele & karakterer
- Fastgørelsesmidler, ikke-kritiske ventilkomponenter, pumpeaksler - 410, 431 (martensitisk højstyrke), 17-4 Ph for høj styrke, korrosionsbestandige komponenter (hvor ældning efter svejsning er mulig).
Hvorfor 4xx bruges
- Martensitic og PH kvaliteter giver meget høj styrke til tryk og mekaniske belastninger; 17-4 PH vælges ofte, hvor styrke plus rimelig korrosionsbestandighed er påkrævet, og svejse-/ældningscyklusser kan kontrolleres.
Nøgleovervejelser
- Martensitiske dele i sure eller kloridholdige miljøer skal være kvalificeret til brintskørhed og SSC-risiko. Anløbning/ældning efter svejsning er ofte obligatorisk.
Marine, afsaltning og havvandsudstyr (begrænset brug)
Fælles dele & karakterer
- Søvandsfiltre, ikke-kritiske huse — 444 ved mild klorideksponering; ellers foretrækker designere duplex eller højere PREN-legeringer.
Hvorfor 4xx bruges (selektivt)
- Mo-bærende ferritik kan klare nogle havvandsopgaver til lavere omkostninger, men langsigtet grubetæring og sprækkerisiko udelukker dem ofte for kontinuerligt nedsænkede strukturelle dele.
Nøgleovervejelser
- Når 4xx bruges i marine sammenhænge, kombineres med katodisk beskyttelse, overtræk, og en stringent inspektionsordning. Undgå hvor varmepåvirkede eller sprækkeforhold eksisterer.
Kraftproduktion & energisystemer
Fælles dele & karakterer
- Varmevekslere, røggaskanaler, turbinetætninger - 409, 444.
- Højstyrke boltning og skaft - 17-4 Ph eller martensitics, hvor det er relevant.
Hvorfor 4xx bruges
- Ferritiske kvaliteter tåler cyklisk oxidation og termisk stress godt; PH-kvaliteter bruges til højspændingsfastgørelseselementer og komponenter, hvor austenitiske legeringer ville være unødvendigt dyre.
Nøgleovervejelser
- Hold øje med langsigtet sigmafase-skørhed i nogle høj-Cr-legeringer ved mellemtemperaturer; specificer driftstemperaturgrænser og inspektionsintervaller.
Medicinsk, værktøj og præcisionsinstrumenter (valgt)
Fælles dele & karakterer
- Kirurgiske instrumentblade — 420 / 440C (Martensitisk, høj polering og kantfastholdelse).
- Præcisionsstøbeindsatser og slidstærkt værktøj — 440C.
Hvorfor 4xx bruges
- Høj hårdhed og kantfastholdelse gør martensitics attraktive, forudsat at korrosionseksponering er kontrolleret, og overfladefinish/passivering er fremragende.
Nøgleovervejelser
- Til implantater eller langvarig kropseksponering, 300-serier eller legeringer af medicinsk kvalitet foretrækkes; 4xx kun for instrumenter, når sterilisering og passivering er acceptable, og medicinske standarder følges.
6. Fordele & Begrænsninger
400-seriens rustfri stål indtager en særskilt position mellem kulstofstål og nikkelbærende austenitisk rustfrit stål.
Vigtigste fordele ved 400-serien rustfrit stål
Omkostningseffektivitet og prisstabilitet
400-serien af rustfrit stål indeholder lidt eller intet nikkel, primært afhængig af chrom for korrosionsbestandighed.
Dette reducerer råmaterialeomkostningerne markant og beskytter indkøb mod nikkelprisvolatilitet, gør disse kvaliteter økonomisk attraktive til store mængder applikationer.
Iboende magnetiske egenskaber
Ferritiske og martensitiske 400-seriens kvaliteter er naturligt magnetiske, gør det muligt at bruge dem i elektromagnetiske enheder, sensorer, aktuatorer, og komponenter, der kræver magnetisk respons - applikationer, hvor austenitisk rustfrit stål er uegnet.
Varmebehandlebar styrke (martensitiske og PH-grader)
I modsætning til austenitisk rustfrit stål, martensitiske og nedbørshærdende 400-serie legeringer kan styrkes gennem bratkøling, temperering, og aldring.
Dette tillader trækstyrker lige fra moderate niveauer til et godt stykke over 1000 MPA, understøttende slidstærk, bærende, og højspændingskomponenter.
God varmeledningsevne og lav varmeudvidelse
Ferritisk 400-seriens stål udviser højere termisk ledningsevne og lavere varmeudvidelseskoefficienter end 300-serien rustfrit stål.
Dette forbedrer modstanden mod termisk træthed og forvrængning, gør dem velegnede til udstødningssystemer, Varmevekslere, og termiske cykelmiljøer.
Tilstrækkelig korrosionsbestandighed til moderate miljøer
Med kromindhold typisk over 10.5 vægt%, 400-serie stål giver pålidelig modstand mod atmosfærisk korrosion, milde kemikalier, og højtemperaturoxidation - langt bedre end kulstofstål og tilstrækkelig til mange industrielle og forbrugeranvendelser.
Forenklet legeringsdesign og genanvendelighed
Lavere legeringskompleksitet letter smeltning, genbrug, og genbrug i rustfri stålstrømme, tilpasning til omkostningskontrol og bæredygtighedsmål i storskalaproduktion.
Vigtige begrænsninger for 400-seriens rustfrit stål
Dårlig korrosionsbestandighed sammenlignet med austenitiske kvaliteter
De fleste 400-serie stål mangler nikkel og, i mange tilfælde, tilstrækkelig molybdæn nødvendig for stærk modstand mod grubetæring, spredningskorrosion, og spændingskorrosion i kloridrige eller stærkt sure miljøer.
De kan generelt ikke erstatte 304 eller 316 i barsk kemisk eller marin service.
Begrænset svejsbarhed
Ferritiske kvaliteter er tilbøjelige til kornforgrovning og sejhedstab i den varmepåvirkede zone, mens martensitiske kvaliteter er modtagelige for koldrevner og brintskørhed.
Vellykket svejsning kræver ofte streng varmetilførselskontrol, stabiliserende elementer (Af, Nb), forvarmning, og varmebehandling efter svejsning.
Reduceret sejhed ved lav temperatur
Ferritisk 400-serie rustfrit stål udviser en duktil-til-skør overgangstemperatur, typisk omkring minusgrader til lidt over frysepunktet.
Dette begrænser deres egnethed til kryogene eller kolde klima-strukturelle applikationer.
Lavere formbarhed end austenitisk rustfrit stål
Ferritiske kvaliteter har moderat koldformningsevne, men begrænset strækformbarhed, mens martensitiske kvaliteter er svære at koldforme på grund af høj hårdhed.
Komplekse dybtrukne komponenter er generelt bedre egnede til 300-serien rustfrit stål.
Følsomhed over for forkert varmebehandling og serviceeksponering
Martensitiske og PH-kvaliteter kræver omhyggeligt kontrollerede varmebehandlingscyklusser.
Uhensigtsmæssig temperering, langvarig udsættelse for mellemtemperaturer, eller ukorrekt svejsemetode kan føre til skørhed, tab af korrosionsbestandighed, eller for tidlig svigt.
Snævrere applikationsvindue til svære miljøer
I stærkt ætsende, højt kloridindhold, eller procesmiljøer med høj renhed, ydelsesmarginen for 400-seriens stål er begrænset, ofte nødvendiggør brugen af austenitisk, Duplex, eller super rustfrit stål.
7. Sammenlignende analyse vs 300-serien & andre alternativer
- Korrosionsmodstand: 300-serie (304/316) >> 400-serie i aggressive klorid/syre miljøer.
- Styrke (varmebehandlet): Martensitisk/PH 400 >> 300-serie (kan langt overstige 1,000 MPA).
- Koste: 400-serier typisk 30–50 % billigere end 304 på grund af lavt Ni.
- Svejsbarhed & Formbarhed: 300-serie overlegen; 400-serien kræver mere pleje.
- Magnetisme: 400-serie magnetisk — en fordel, hvis der er behov for magnetisk respons.
- Høj temperatur adfærd (oxidation): ferritisk 4xx er ofte bedre end austenitisk til cyklisk oxidation og termisk ledningsevne..
Tommelfingerregel for udvælgelse: vælg 400-serien, når det koster, magnetisk respons eller meget høj hårdhed/styrke er påkrævet, og korrosionsmiljøet er moderat eller håndterbart med belægninger; vælg 300-serie/duplex/nikkellegeringer, når korrosionsbestandigheden er primær.
8. Konklusion
De 400 serie rustfri stål er en alsidig og meget brugt familie, der leverer en pragmatisk balance mellem økonomi, magnetiske egenskaber, termisk ydeevne og opnåelig styrke. Deres rolle spænder fra hverdagsapparater til krævende mekaniske dele.
Vellykket brug kræver informeret karaktervalg og disciplineret behandling: svejsning og varmebehandling har stor indflydelse på den endelige ydeevne.
Hvor korrosionseksponeringen er moderat, og omkostninger eller magnetisk respons har betydning, 400-serien repræsenterer ofte det optimale ingeniørvalg.
Hvor aggressiv korrosionsbestandighed eller ekstrem sejhed ved lav temperatur er påkrævet, familier med højere legeringer bør evalueres.
FAQS
Er 400-seriens stål "rustfrit"?
Ja - de danner en passiv kromoxidfilm og modstår korrosion meget bedre end kulstofstål, men de er mindre korrosionsbestandige end 300-seriens legeringer i mange aggressive medier.
Kan 400-serien erstatte 304 i forbrugsapparater?
Ofte ja til dekorative og mange apparater (F.eks., 430), men undgå hvor hyppig udsættelse for klorider, sure rengøringsmidler eller marine atmosfærer forekommer.
Hvorfor er nogle 400-serier magnetiske og andre ikke?
Ferritiske og martensitiske mikrostrukturer er magnetiske; austenitiske mikrostrukturer (typisk for 300-serien) er i det væsentlige ikke-magnetiske. 400-serier er designet til at være ferritiske/martensitiske.
Sådan svejses 17-4 PH sikkert?
Brug kvalificerede procedurer, styre varmetilførslen, og påfør post-svejseopløsning/ældningscyklusser eller lokaliseret ældning i henhold til leverandørens instruktioner for at genoprette styrke og korrosionsbestandighed.
Er 440C velegnet til marine lejer?
Nej – mens 440C tilbyder høj hårdhed og slidstyrke, dens korrosionsbestandighed i marine kloridmiljøer er begrænset; overveje rustfrie lejer med højere PREN eller belægninger.
